Summary
컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔을 충실도가 높고 회수 가능하며 저렴한 절차 작업 트레이너로 처리하는 절차를 설명합니다. CT 스캔 식별 프로세스, 내보내기, 분할, 모델링 및 3D 프린팅이 모두 프로세스에서 배운 문제 및 교훈과 함께 설명됩니다.
Abstract
절차 적 작업 트레이너에 대한 설명에는 궁극적으로 환자에게 절차를 수행하기 전에 안전한 환경에서 절차의 반복 및 리허설을 통해 기술 기술을 연마하는 교육 도구로서의 사용이 포함됩니다. 현재까지 사용 가능한 많은 절차 적 작업 트레이너는 비현실적인 해부학 적 구조와 트레이너 조직이 반복적 인 조작을 거친 후 사용자가 만든 '랜드 마크'를 개발하는 경향을 포함하여 잠재적으로 부적절한 정신 운동 기술 개발로 이어질 수있는 몇 가지 단점을 겪고 있습니다. 이러한 단점을 개선하기 위해 유비쿼터스 3차원(3D) 프린팅 기술과 기성품 소모품을 활용하는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔에서 얻은 해부학으로 생성된 충실도가 높은 절차 작업 트레이너를 생성하는 프로세스가 만들어졌습니다.
이 방법은 3D 프린팅되는 조직 내에 부유된 뼈 골격 구조를 감싸기 위해 관심 있는 골격 요소를 둘러싼 조직 구조를 캡처하는 3D 프린팅된 조직 몰드를 만드는 것을 포함합니다. 그런 다음 고충실도 형상과 조직 밀도 모두에서 조직을 근사화하는 조직 배지 혼합물을 몰드에 붓고 굳힙니다. 작업 트레이너를 사용하여 골내 라인 배치와 같은 절차를 연습 한 후에는 조직 매체, 곰팡이 및 뼈를 회수 할 수 있으며 후속 교육 세션에서 사용하기 위해 천자 부위 및 조작 결함이없는 새로운 작업 트레이너를 만드는 데 재사용 할 수 있습니다.
Introduction
절차 기술의 환자 치료 역량은 민간 및 군사 의료 1,2 환경에서 훈련생을 개발하는 데 중요한 구성 요소입니다. 절차 기술 개발은 마취과3 및 일선 의료 인력과 같은 절차 집약적 전문 분야에 특히 중요합니다. 작업 트레이너는 의대 1 학년 학생 또는 의료 기술자에서 노인 레지던트 또는 동료에 이르기까지 다양한 기술 수준으로 수많은 절차를 연습하는 데 사용될 수 있습니다. 많은 의료 절차를 완료하는 데 상당한 교육이 필요하지만 여기에 제시된 작업(골간(IO) 라인 배치)은 간단하며 기술적 기술이 덜 필요합니다. IO 라인의 성공적인 배치는 비교적 짧은 기간의 교육 후에 수행할 수 있습니다. 작업 트레이너의 사용을 포함하는 의료 훈련 중 시뮬레이션의 사용은 궁극적으로 환자 2,4,5에 대한 절차를 수행하기 전에 안전하고 스트레스가 적은 환경에서 임상 절차의 반복 및 리허설을 통해 기술 절차 기술을 습득하는 도구로 인식됩니다.
당연히 의학 교육 환경에서의 시뮬레이션 교육은 널리 받아 들여지고 있으며 환자 결과에 미치는 영향에 관한 데이터가 부족함에도 불구하고 주류 인 것으로 보입니다 6,7. 또한 최근 간행물은 시뮬레이션이 팀 역학 및 의사 결정 개선의 결과로 팀 성과와 환자 결과를 개선한다는 것을 보여줍니다. 그러나 시뮬레이션이 중요한 생명을 구하는 절차8,9를 수행하는 데 시간이나 성공률을 향상시킨다는 데이터는 거의 없으며, 이는 시뮬레이션이 의료 제공자의 교육에서 복잡하고 다면적임을 시사합니다. 표준 정맥 접근이 불가능하거나 지시되지 않은 환자의 경우 IO 라인 배치를 사용하여 혈관 접근을 신속하게 달성 할 수 있으며 최소한의 기술이 필요합니다. 이 절차의시기 적절하고 성공적인 수행은 특히 수술 전후 환경이나 외상 시나리오10,11,12에서 중요합니다. IO 라인 배치는 수술 전후 영역에서 드물게 수행되는 절차이며 생명을 구하는 절차가 될 수 있으므로 비임상 환경에서의 교육이 중요합니다. IO 라인 배치와 관련된 해부학적으로 정확한 작업 트레이너는 이 절차에 대한 예측 가능한 교육 빈도와 기술 개발을 제공하는 데 이상적인 도구입니다.
널리 사용되지만 현재 사용 가능한 상용 작업 트레이너는 몇 가지 중요한 단점을 가지고 있습니다. 첫째, 절차를 여러 번 시도할 수 있는 작업 트레이너는 작업 트레이너의 초기 구매뿐만 아니라 실리콘 스킨 패치와 같은 교체 가능한 부품을 보충하는 데에도 비용이 많이 듭니다. 그 결과 부품이 자주 교체되지 않는 경우가 많아 연수생에게 차선의 교육 경험을 제공하는 눈에 띄는 랜드마크가 남습니다. 환자는 절차를 수행해야 하는 위치에 미리 표시되지 않습니다. 또 다른 단점은 기존 작업 트레이너의 높은 비용으로 인해 장치가 보호 된 저장 위치에 '잠겨'장치의 손실 또는 손상을 방지 할 때 사용자의 액세스가 제한 될 수 있다는 것입니다. 그 결과 더 엄격하고 사용 가능한 예정된 연습 시간이 필요하므로 사용을 제한하면 예정되지 않은 훈련이 확실히 어려워 질 수 있습니다. 마지막으로, 대부분의 트레이너는 충실도가 낮은 5,13,14로 간주되며 대표적인 해부학 만 사용하여 잠재적으로 부적절한 정신 운동 기술 개발 또는 훈련 흉터로 이어질 수 있습니다. 또한 충실도가 낮은 트레이너는 충실도가 낮은 장치에 대한 교육이 실제 실제 절차를 적절하게 모방하지 못할 수 있으므로 기술 습득, 숙달 및 저하에 대한 철저한 평가를 매우 어렵게 만듭니다.
대표적인 해부학은 또한 정신 운동 기술의 습득과 숙달에 대한 적절한 평가를 방해합니다. 더욱이, 시뮬레이션 된 의료 환경 간의 정신 운동 기술을 환자 치료로 이전하는 것을 평가하는 것은 정신 운동 기술 중 일부가 임상 과제에 반영되지 않으면 거의 불가능 해집니다. 그 결과 의료 시뮬레이션 및 훈련이 환자 결과에 영향을 미치는 능력에 대한 합의가 방지됩니다. 비용, 해부학적 정확성 및 액세스 문제를 극복하기 위해 당사는 저비용, 고충실도 IO 라인 작업 트레이너를 개발했습니다. 작업 트레이너는 실제 환자의 CT 스캔을 기반으로 설계되어 정확한 해부학을 제공합니다(그림 1). 사용 된 재료는 어디에나 있고 구하기 쉬우 며 비교적 쉽게 회수 할 수있는 구성 요소가 있습니다. 상업적으로 이용 가능한 다른 많은 트레이너와 비교할 때, 여기에 설명 된 작업 트레이너 설계의 적당한 비용은 접근하기 어렵고 보호 된 위치에서 트레이너를 격리하려는 욕구를 크게 줄이고 주요 랜드 마크없이 여러 번 반복 할 수 있습니다.
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Protocol
참고 : 네브래스카 대학 의료 센터 기관 검토위원회는 우리의 연구가 인간 대상 연구를 구성하지 않는다고 결정했습니다. 지역 IRB는 윤리적 승인과 정보에 입각 한 동의의 포기를 받았습니다. 이미징 데이터의 완전한 익명화는 병원 비식별화 프로토콜에 따라 분석하기 전에 수행되었습니다.
1. 데이터
- 계획된 작업 트레이너에 대한 관심 있는 해부학을 캡처하는 CT 스캔을 얻습니다. 사용되는 3D 프린터의 작업량 제한과 절차 단계에 필요한 랜드마크를 신중하게 고려하십시오.
- 스캔을 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine 형식)으로 얻은 경우 NiFTi(Neuroimaging Informatics Technology Initiative)15 형식(.nii)으로 변환합니다.
2. 세분화
- 3D 슬라이서 소프트웨어(http://www.slicer.org)를 사용하여 CT 이미지를 분할합니다. 1.2단계의 NIfTi 파일을 3D 슬라이서로 가져옵니다.
- 세그먼트 편집기 모듈을 선택하여 트레이너를 모델링하는 데 필요한 세그먼트를 생성합니다.
- 작업 트레이너의 1) 뼈 및 2) 조직 구성 요소에 대해 하나의 세그먼트를 추가합니다.
알림: 흉관 삽입 훈련에 사용되는 트레이너와 같은 일부 트레이너의 개발에는 추가 세그먼트가 필요할 수 있습니다. - 세그먼트 1) 뼈를 선택합니다. 임계값 효과를 사용하여 정의된 "창" 범위가 관심 있는 뼈대 구성 요소를 식별할 때까지 강도 범위를 변경합니다.
참고: 뼈 세그먼트의 경우 일반적인 범위는 사용 가능한 최대값까지 100에서 175HU(하운스필드 단위) 사이이고 조직의 경우 일반적으로 사용 가능한 최대값까지 -256HU입니다. - 임계값 기능을 사용하여 1) 뼈 구성 요소를 강조 표시하고 적용 명령을 사용하여 스캔에 적용합니다.
- Scissors 기능을 사용하여 작업 트레이너를 만드는 데 필요하지 않은 스캔 영역을 제거합니다. IO 트레이너를 위해 골수 공간이 비어 있는지 확인하십시오.
참고: 이 단계는 관심 세그먼트를 트레이너의 원하는 치수로 줄이는 첫 번째 단계입니다. 여기서 사용할 3D 프린터의 제작 볼륨 제한을 고려해야 합니다. 그러나 세그먼트는 섹션 3에서 더 줄어들 수 있습니다.
- 작업 트레이너의 1) 뼈 및 2) 조직 구성 요소에 대해 하나의 세그먼트를 추가합니다.
- 2) 조직 구성 요소에 대해 2.2.1-2.2.4단계를 반복합니다.
- 세분화 모듈 사용; 각 구성 요소를 STL 파일로 내보냅니다.
3.3D 모델링
- AutoDesk 메쉬믹서를 사용하여 3D 세그먼트를 추가로 자르고 기하학적 요소 수 측면에서 각 세그먼트의 해상도를 줄여 Fusion360 내에서 최적의 성능을 얻을 수 있습니다.
- 가져온 STL 파일의 삼각형 법선 방향이 올바른지 확인합니다. 각 삼각형 점의 법선이 메쉬의 외부 표면 방향인지 확인합니다. 삼각형 방향이 올바르지 않으면 Select | | 수정 모두 선택 기능을 선택한 다음 선택 | | 편집 대칭 이동 법선 기능.
- 가져온 STL 세그먼트의 원치 않는 구조(예: 콘트라스트 사용으로 인해 CT에서 캡처한 조직 또는 혈관구조의 원치 않는 세그먼트)를 제거하고 작업 트레이너를 만드는 데 필요한 모델을 구체화합니다. 내보낸 세그먼트의 임계값 범위 내에 실수로 포함되었을 수 있는 세그먼트 내에서 원하지 않는 구조를 제거하여 모델을 미세 조정하려면 선택 작업을 사용하고 원하지 않는 구조에서 삼각형을 선택한 다음 | 편집 버리기.
- 3.1.2 이후에는 편집 | 평면 잘라내기 도구를 사용하여 3D 프린터 제작 볼륨의 범위 내에 맞게 모델을 자릅니다. 과도한 기하학적 해상도로 인해 발생하는 계산 오버헤드를 줄이려면 Fusion360에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 모델을 정의하는 데 사용되는 삼각형 수를 줄이십시오. Select( 선택)를 클릭하고 메시의 아무 곳이나 두 번 클릭하여 전체 메시를 선택한 다음 Edit | 줄이십시오. 목표 감소의 경우 약 10,000개 얼굴 미만의 삼각형 예산으로 줄입니다.
참고: 현재 작성자가 사용하는 프린터의 최대 제작 용적은 250 x 210 x 210mm입니다. 따라서 모델은 금형이 프린터의 제작 부피에 맞도록 최대 장축 길이 220-230mm로 절단되었습니다. 프린터의 제작 볼륨은 모델을 약 20-30mm 더 짧게 만들어 장축 길이를 결정해야 합니다. 지오메트리는 임상적으로 관련된 세부 사항의 손실 없이 ~10K 삼각형으로 쉽게 축소하여 충실도가 높은 작업 트레이너를 개발할 수 있습니다. - 선택 도구를 사용하여 구멍과 표면 불규칙성을 제거하거나 줄입니다. 결함 주위의 메쉬 삼각형이 선택되면 Select | 명령을 사용합니다. 편집하다| Erase & Fill은 표면 구멍과 불규칙성을 개선합니다. STL 파일 유형을 사용하여 완성된 모델을 내보내고 저장합니다.
알림: 골간 라인 작업 트레이너의 대상 뼈의 외부 표면은 완전히 닫아야 합니다. 그렇지 않으면 녹은 조직 매체가 골수 공간으로 들어가 작업 트레이너 성능이 저하됩니다.
- AutoDesk Fusion360을 사용하고 를 추가하여 뼈 및 조직 모델을 가져옵니다. STL 파일을 인서트 | 사용하여 메시로 작업공간에 저장합니다. 메시 삽입 명령.
- Fusion360 타임라인을 비활성화하고 대상 메쉬의 삼각형 수를 <10,000으로 줄여 가져온 메쉬를 BRep 솔리드로 변환합니다.가져온 메쉬 바디 를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭합니다. [BRep에 메시] 옵션을 선택합니다. 메쉬가 BReps 솔리드로 변환된 후 Fusion360 타임라인을 다시 시작합니다.
- 솔리드 수정을 통해 Tissue BRep의 장축을 따라 직사각형 솔리드를 분할하여 작업 트레이너의 몰드를 만듭니다.
참고: 주형은 스케치 피쳐를 사용하여 조직 솔리드를 포함하는 정육면체 또는 직사각형 솔리드를 작성하여 조직 BRep 주위에 작성됩니다. 선택한 3D 프린터의 최대 제작 부피에 맞게 금형 크기를 수정해야 합니다. 금형이 두 개로 분할되므로 인쇄된 가장 긴 치수가 결합될 때 최종 금형의 가장 큰 치수가 아닐 수 있습니다. - 지지 핀의 2-3개 위치를 선택하고 미리 설계된 어셈블리 그룹 구성 요소를 배치하여 작업 트레이너의 뼈를 고정합니다. 지지 핀에 대해 선택한 위치가 핀 머리 주위의 뼈에 충분한지지 구조를 가지고 있는지 확인하십시오.
알림: 선택한 핀 헤드 주변의 뼈는 어셈블리 그룹에도 뼈와 융합되는 견고한 원통형 지지 구조가 포함되어 있으므로 완벽하게 균일할 필요는 없습니다. 이 구조는 핀의 머리를 적절하게지지하고 조직 배지 내에서 뼈의 올바른 해부학 적 배치를 보존합니다. - 뼈 플러그를 가져와 뼈 BRep의 열린 골수 공간에 배치하여 조직 배지가 골수 공간으로 들어가는 것을 방지하고 시뮬레이션된 골수가 배수되지 않도록 합니다.
- 액체 조직 매체를 금형에 주입할 수 있도록 Tissue BRep 고체로 표시된 공간의 금형을 통해 개구부(일반적으로 직경 4-6cm)를 생성합니다.
- 미리 디자인된 조립품 그룹의 구성요소가 공간에 뼈대를 고정하도록 배치되면 부울 결합 기능을 수행하여 다양한 조립품 그룹을 모델에 추가하거나 절단합니다.
- 3.2.6 단계 전에 객체의 미러를 수행하여 동측 측의 작업 트레이너를 만듭니다. 3.2.6 전에 3.2.3-3.2.5단계를 반복합니다.
- 인쇄를 위해 최종 구성 요소를 내보냅니다. 작업 공간 내에서 원하는 본체를 선택하고 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 STL 파일을 생성합니다| STL로 저장합니다.
4.3D 인쇄
- 3D 단순화를 사용하여 슬라이싱 프로그램이 항목을 인쇄하는 데 필요한 GCODE를 생성할 수 있도록 STL 파일을 3D 프린터의 베드에 놓습니다. 210°C의 고온 끝 온도에서 0.4mm 노즐을 사용하여 폴리락틱산(PLA) 3D 프린터 미디어 필라멘트로 구성 요소를 인쇄합니다. 설정에서 4개의 상단 및 하단 레이어와 3개의 주변 쉘을 사용하는지 확인합니다.
- 골수 강 내에서 필요한지지 물질을 최소화하기 위해 뼈를 수직으로 향하게하십시오. 래프트, 0.2mm 레이어 높이, 20% 충전재 및 전체 서포트 재료(프린트 베드 및 프린트 내부)를 사용하여 인쇄합니다. 티슈 몰드를 인쇄할 때 티슈 표면이 위를 향하도록 몰드 구성 요소의 방향을 지정합니다. 뗏목, 0.3mm 층 높이, 15% 충전재 및 전체 지지 재료 없이 조직 몰드를 인쇄합니다.
- 지지 핀 및 기타 구성 요소를 배열하여 서포트 재료를 최소화하고 모든 핀 지지 부품을 래프트, 0.2mm 레이어 높이 및 20% 충전재로 인쇄합니다. 서포트 재료 없이 나사산 구성 요소를 감소된 속도로 인쇄하여 나사산 구조의 충실도를 최대화합니다.
- 각 구성 요소의 매개 변수가 선택되면 3D 단순화로 생성된 GCODE 파일을 준비하고 SD 카드로 내보냅니다. Prusa i3 MK3를 사용하여 SD 카드에서 저장된 GCODE 파일을 선택하고 1.75mm PLA 3D 프린터 미디어 필라멘트로 인쇄합니다.
5. 조립
- 조직 배지를 준비하십시오.
참고: 연수생의 현재 기술 숙달 수준에 따라 불투명 또는 투명 조직 매체가 필요한지 여부가 결정될 수 있습니다. 투명 배지를 사용하면 교육생이 IO 삽입 중에 진행 상황을 시각적으로 추적하고 뼈 랜드마크를 보다 쉽게 식별할 수 있으며, 불투명 매체는 실제 임상 경험을 더 잘 시뮬레이션할 수 있습니다.- 조직 배지를 만드는 데 사용할 다음 성분을 측정하고 무향 젤라틴 260g을 따로 보관합니다(이 양은 필요에 따라 크기를 조정할 수 있음). 필요한 경우, 미세하게 분쇄 된 psyllium 껍질 섬유 140g, 오렌지 맛, 무설탕 (투명한 배지를 만들기 위해이 단계를 생략); 4 % w / v 클로르헥시딘 42g.
알림: 차전자피 섬유는 불투명 한 매체를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 이 성분은 불투명한 배지가 필요한 경우 젤라틴 직후에 첨가되어야 한다16. - 1000mL의 물(수돗물 허용)을 85°C로 가열합니다.18.9L 버킷과 같이 재료의 부피보다 몇 배 더 큰 혼합 용기에 물을 추가합니다.
- 조직 배지 용액을 격렬하게 혼합하면서 젤라틴, 차전자피 섬유 및 클로르헥시딘 용액을 물에 순서대로 첨가하고 이전 성분이 혼입 된 후 다음 성분을 첨가하기 전에 기다립니다.
알림: 투명한 매체를 만드는 경우 차전자피 섬유를 추가하지 마십시오.
- 조직 배지 용액을 격렬하게 혼합하면서 젤라틴, 차전자피 섬유 및 클로르헥시딘 용액을 물에 순서대로 첨가하고 이전 성분이 혼입 된 후 다음 성분을 첨가하기 전에 기다립니다.
- 혼합물을 71°C 수조에서 최소 4시간 동안 가열하여 기포가 용액에서 소멸되도록 합니다. 혼합 용기를 온수 욕조에 직접 넣거나 혼합물을 플라스틱 보관 백과 같은 별도의 용기에 옮깁니다.
- 조립 된 몰드에 붓기 위해 조직 배지를 준비하십시오. 혼합물이 균질하고 유동적인지 확인하십시오. 혼합물의 온도를 46°C로 유지한다.
참고: 조직 배지가 즉시 필요하지 않은 경우 필요할 때까지 저장 용기 내에 4°C 또는 -20°C에서 보관할 수 있습니다.
- 조직 배지를 만드는 데 사용할 다음 성분을 측정하고 무향 젤라틴 260g을 따로 보관합니다(이 양은 필요에 따라 크기를 조정할 수 있음). 필요한 경우, 미세하게 분쇄 된 psyllium 껍질 섬유 140g, 오렌지 맛, 무설탕 (투명한 배지를 만들기 위해이 단계를 생략); 4 % w / v 클로르헥시딘 42g.
- 시뮬레이션된 골수 용액을 준비합니다.
알림: 시뮬레이션된 골수 용액은 미리 준비하여 사용할 준비가 될 때까지 실온에서 덮인 용기에 보관할 수 있습니다.- 시원한 물 100g을 측정하고 철저히 혼합하십시오 (탭은 괜찮습니다). 초음파 젤 100g; 및 5mL의 빨간색 식용 색소(선택 사항, 시뮬레이션 개선에 사용됨). 최종 제품이 두껍지만 빠르게 이동할 수 있을 만큼 충분히 유동적인지 확인하십시오.
- 뼈를 금형 바닥에 고정하고 금형을 조립합니다.
- 금형 내부 표면의 각 면에 붙지 않는 요리 스프레이와 같은 비실리콘 기반 이형제를 뿌립니다. 조직 공간 내에서 올바른 위치를 유지하기 위해 지지 핀을 사용하여 뼈를 고정합니다. 뼈/핀을 금형 바닥에 고정합니다.
- 금형의 상단을 하단 부분에 맞추고 금형의 두 반쪽을 함께 고정합니다. 붓는 동안 조직 배지가 골수 공간으로 들어가는 것을 방지하기 위해 뼈 플러그가 제자리에 있는지 확인하십시오.
- 개구부가 위를 향하도록 금형을 배치하고 46°C 조직 매체를 금형의 캐비티에 붓습니다. 거꾸로 된 공기 살포기 캐니스터를 사용하여 금형에서 조직 매체의 누출을 해결하려면 따뜻한 조직 배지에 캐니스터를 직접 분사하여 신속하게 냉각합니다. 채워진 몰드를 최소 4시간 동안 또는 티슈 배지가 굳을 때까지 6°C 냉장고로 옮깁니다.
- 금형을 분해하고 작업 트레이너와 지지 핀을 제거합니다. 뼈 플러그를 제거하고 5.2에서 만든 시뮬레이션된 '골수'로 골수 공간을 채우고 뼈 플러그를 교체합니다. 작업 트레이너를 플라스틱 보관 백에 넣고 교육에 필요할 때까지 어셈블리를 4 ° C 또는 -20 ° C에서 보관하십시오.
6. 과제 교육
- 작업 트레이너를 보관소에서 꺼내 실온에 도달시킵니다. 아직 배치되지 않은 경우 5.5의 지침에 따라 5.2단계의 시뮬레이션된 골수 재료를 추가합니다.
참고: 트레이너를 실온으로 따뜻하게 하면 시뮬레이션 환경이 향상됩니다. - 작업 트레이너에 대한 교육을 수행합니다. 훈련생에게 IO 라인 배치의 일반적인 단계에 따라 IO 바늘(그림 2A)을 배치하고 시뮬레이션된 골수(그림 2B)를 흡입하도록 지시합니다.
- 훈련 후 작업 트레이너를 분해하여 조직, 매체 및 뼈를 회수하십시오.
알림: 조작 후 IO 트레이너의 뼈에는 IO 라인 캐눌라를 삽입하여 만든 구멍이 있습니다. 이러한 구멍은 휴대용 3D 프린터 펜을 사용하여 PLA로 채워지거나 뼈를 버릴 수 있습니다. - 섹션 5에 따라 후속 교육을 위해 재생 재료를 재조립하고 재사용합니다.또는 조직 배지를 녹이고 5.1.4에 따라 회수하고 즉시 필요하지 않은 경우 4 ° C 또는 -20 ° C에서 보관하십시오.
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Representative Results
프로토콜에 따라 작업 트레이너의 모델링은 식별되지 않은 환자의 CT 스캔을 활용했습니다. CT 이미지의 분할은 3D 모델링을 위해 3D 슬라이서 소프트웨어와 자동 메쉬 믹서를 활용했습니다. 3D 프린팅의 경우 3D Implify와 Prusa i3 MK3가 모두 사용되었습니다(그림 1). 그 후, 3D 인쇄 부품의 조립을 완료하고, 조직 배지 혼합물을 준비하고, 미디어 혼합물을 조립 된 작업 트레이너 몰드에 부었다. 작업 트레이너와의 교육 기간 후, 조직 배지는 재생되어 새로운 작업 트레이너의 조립에 재사용되었습니다.
3D 모델링에 사용된 환자의 왼쪽 무릎 관절에 대한 CT 스캔은 무릎 아래 경골과 비골의 6-7cm, 무릎 위의 대퇴골 2-3cm, 슬개골로 구성되었습니다. 이 프로토콜이 실행되는 동안 서로 다른 해부학적 세그먼트 간의 겹침으로 인한 CT 스캔에서 볼 수 있는 아티팩트는 각 세그먼트를 STL로 내보내고 '플립 노멀' 작업을 수행한 후 Meshmixer에서 수동으로 폐기되었습니다. 왼쪽 경골 뼈와 조직 STL 메쉬는 골수 표면의 해부학적 복잡성을 줄이기 위해 수정되었습니다. 대퇴골, 경골, 비골 및 슬개골을 서로 고정시키기 위해지지 구조가 생성되었습니다. 지지 "버팀대 구조"가 Fusion 360에 추가되어 뼈의 얇은 비골 구조를 경골로 밀어 넣어 이 뼈가 부러지는 것을 방지합니다.
금형 구조는 상단 및 하단 구조로 분리 된 직사각형 솔리드와 조직 세그먼트의 외곽 둘레에 실리콘 폼 코드를 고정하기위한 2.5mm 채널로 구성되었습니다. 지지 핀 구조, 정렬 핀 채널 및 뼈 플러그 수신기는 적용 가능한 구조를 모델로 가져와 뼈 및 금형 구조에 추가되었습니다(그림 3). 금형은 두 개의 41mm 지지 핀 어셈블리 그룹이 조직 캐비티 내의 뼈 구조를 적절하게 지지하고 부유시키기에 충분하도록 설계되었습니다. 조직 공동을 노출시키기 위해 만들어진 개구부는 금형 구조의 전면에서 원통형 몸체 구조를 절단하여 조직 매체의 주입을 용이하게 했습니다.
Fusion 360에서 금형 및 뼈 구조를 완성한 후 다음 4개의 . STL 세그먼트는 1) 뼈, 2) 하단 몰드 박스, 3) 상단 몰드 박스 및 4) 모델 하드웨어(2 x 41mm 지지 핀, 2x 지지 핀 바닥 및 1x 뼈 플러그)를 내보내 생성되었습니다. 다음으로, 4개의 STL 세그먼트를 Implify 3D로 가져오고, 100mm/s 인쇄 속도에서 0.4mm 노즐과 0.3mm 레이어 높이를 사용하여 인쇄하기 위해 이러한 세그먼트에 대한 대표적인 GCODE 파일을 생성했습니다. 표 1 에는 모든 세그먼트가 Original Prusa MK3 프린터에서 인쇄되었을 때 이전에 언급한 설정을 사용하여 인쇄 시간 및 PLA 필라멘트 재료 요구 사항 추정치가 나열되어 있습니다. 조직 배지(젤라틴) 성분의 신속한 혼입은 일관되고 균질한 최종 제품을 달성하는 데 필수적입니다. 사용되는 조직 배지의 양은 조립 된 작업 트레이너의 모델에 따라 다릅니다. 경골 IO 삽입 태스크 트레이너 모델에 사용된 조직 배지의 설계 및 실제 부피의 예가 표 2에 나와 있습니다.
작업 트레이너의 몰딩을 제거하기 위해 압축 장치를 풀고 금형 상단과 하단을 분리하고 2 x 41mm 지지 핀을 회전시켜 뼈에서 제거했습니다. 그런 다음 골수 구멍을 모의 골수 용액으로 채우고 뼈 플러그를 단단히 삽입했습니다. 그런 다음 최종 작업 트레이너는 해부학적 랜드마크와 세그먼트를 측정하기 위해 CT 스캔으로 이미지화되었습니다. 결과는 충실도가 높은 작업 트레이너 IO 라인 배치를 보여줍니다(그림 4). 그런 다음 새로 성형된 작업 트레이너를 지퍼 잠금 가방에 넣고 냉장고로 돌려보내고 향후 교육 세션에서 사용할 수 있도록 보관했습니다.
투명하고 불투명한 작업 트레이너는 IO 라인 배치 교육 세션을 위해 조립되었습니다(그림 5). 총 40 명의 작업 트레이너 (경골 20 개 및 상완골 20 개)가 우리 기관의 마취과에 제공되는 IO 라인 배치에 대한 반나절 교육 중에 사용되었습니다. 교수진과 연수생 모두이 교육에 참석했습니다. 각 참석자는 작업 트레이너 (경골 및 상완골) 및 IO 라인 배치를 수행하는 데 필요한 장비와 15 분 동안 실습 상호 작용을했습니다. 작업 트레이너의 장점과 단점 및 작업 트레이너 개선에 대한 예비 데이터가 즉시 수집되었습니다.
작업 트레이너의 사용과 관련하여 참석자가 확인한 이점에는 a) 높은 수준의 해부학적 유사성, b) 해부학적 랜드마크를 찾는 능력, c) 조직과 유사한 촉각, d) 연습된 절차의 재현성, e) 작업 완료 피드백을 제공하기 위해 골수를 흡인하는 능력, f) 뼈를 드릴링할 때 적절한 촉각 피드백이 포함됩니다. 작업 트레이너를 회수하고 재사용할 수 있는 능력과 트레이너의 저렴한 비용은 참석자들이 확인한 중요한 기능이었습니다. 또한 교수진과 연수생은 피부의 촉각 피드백과 더 유사하게 피부 또는 직물 층을 추가하고 사지 길이를 늘릴 것을 제안했습니다. 훈련 후, 조직 배지를 회수하여 재사용하였다(그림 1).
그림 1: 골내 라인 배치 작업 트레이너를 만드는 과정을 보여주는 순서도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 불투명한 조직 배지가 있는 트레이너를 사용하여 수행된 경골 작업 트레이너를 사용한 골내 라인 배치. (A) 시판되는 IO 배치 드릴로 뼈를 뚫습니다. (B) IO 라인의 성공적인 배치시 골수 흡인. 약어 : IO = 골내. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 경골 작업 트레이너를 구성하는 3D 설계 및 3D 인쇄 구성 요소. (A) 3D 설계된 경골; (B) 3D 인쇄 경골; (c) 3D 설계된 주형 및 경골 및 핀을 둘러싸는 조직; (D) 경골과 핀을 둘러싼 조직의 3D 인쇄 된 몰드. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 불투명하고 투명한 조직 배지를 사용하면 훈련을 사용자 지정할 수 있습니다 . (A) 및 (C)는 불투명 조직 매질로 제조된 상완골 및 경골 작업 트레이너를 나타낸다. (B) 및 (D)는 투명한 매질로 제조된 상완골 및 경골 태스크 트레이너를 나타낸다. 투명한 조직 매체로 골격 구조의 가시성에 주목하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 작업 트레이너를 만드는 데 사용된 CT 스캔 데이터와 완전히 조립된 IO 라인 배치 상완골 작업 트레이너의 해부학적 거리는 유사합니다. (A) 뼈 두께 (mm), (B) 피부 깊이 (mm) 및 (C) CT 스캔 데이터의 힘줄 홈 (mm)은 해부학 적으로 유사합니다. (D) 뼈 두께 (mm), (E) 피부 깊이 (mm), 및 (F) 완전히 조립된 상완골 작업 트레이너의 CT 스캔에서 힘줄 홈. 약어 : CT = 컴퓨터 단층 촬영; IO = 골내. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 구조 | 대략적인 인쇄 시간(h) | PLA 필라멘트 요구 사항 (추정, g) | 재료비(달러) |
| 박스 탑 | 32 | 800 | 16.00 |
| 상자 바닥 | 17 | 450 | 9.00 |
| 뼈 | 9 | 200 | 4.00 |
| 하드웨어 | 2 | 16 | 0.32 |
표 1 : 필요한 각 구성 요소의 시간 및 비용 목록.
| 구조 | 볼륨 (L) | 예상 비용 |
| 조직 캐비티 | 2.06 패 | 해당 없음 |
| 뼈 구조 | 0.313 리터 | 해당 없음 |
| 조직 캐비티 – 뼈 구조 | 1.747 패 | $35 (회수 가능) |
| 골수강 | 0.075 리터 | 0.25달러 |
표 2: 조직 배지 부피.
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Discussion
이 프로토콜에서는 IO 라인 배치의 드물게 수행되고 생명을 구하는 절차를 훈련하기 위한 3D 작업 트레이너의 개발 프로세스를 자세히 설명합니다. 이 자체 유도 프로토콜은 3D 프린팅을 사용하여 모델 구조의 대부분을 생산하는 반면, 작업 트레이너를 조립하는 데 사용되는 나머지 구성 요소는 유비쿼터스하고 쉽게 얻을 수 있으며 재생 및 재사용 할 수있는 무독성 재료입니다. 3D 작업 트레이너는 비용이 저렴하며 생성 및 조립에 최소한의 전문 지식이 필요합니다. 우리는 UNMC 마취학과 교육 세션에서 3D IO 라인 배치 작업 트레이너를 성공적으로 사용했으며, 여기에는 참석한 교수진과 연수생의 데모 및 실습이 포함되었습니다. 교육 중에 수집된 타당성 데이터에 따르면 참석자들은 작업 트레이너가 실제 환자 해부학에 대한 높은 수준의 해부학적 충실도를 가지고 있으며 장치의 촉각 피드백에 더욱 만족한다는 데 동의했습니다.
작업 트레이너 생산의 중요한 단계는 3D 설계 및 제작의 두 부분으로 나뉩니다. 작업 트레이너 어셈블리. 작업 트레이너를 구성하는 데 사용되는 3D 모델을 만들 때 적절한 세분화가 중요했습니다. 해부학 적 정확성을 준수하지 않으면 최종 제품이 정확하지 않을 수 있습니다. 임계값 분할은 모델에 올바른 모양과 두께를 제공하기 위해 표면 세부 정보가 있는지 확인하기 위해 작업 트레이너의 관심 영역에 주의를 기울여야 합니다. 경골과 상완골 두께는 시뮬레이션된 IO 라인 배치 중에 충분한 촉각 피드백을 제공하는 데 특히 중요합니다. CT 스캔은 종종 뼈의 HU 범위와 겹치는 요오드화 조영제를 사용하기 때문에 조직 및 뼈 구성 요소를 분할하는 과정은 엄청나게 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 따라서, 요오드화 된 조영제로 투과 된 해부학 적 구조는 뼈 세그먼트 내에 부적절하게 포함될 수있다.
조직 배지의 적절한 준비 및 보관이 중요합니다. 프로토콜 내에 규정된 온도 준수는 3D 프린팅 구조의 손상을 방지하고 최대 조직 배지 수명을 보장하는 데 필요합니다. 특히, 조직 배지는 미생물 성장 및 탈수를 방지하기 위해 사용하지 않을 때 차갑거나 얼어 붙은 상태로 유지되어야하며 플라스틱으로 덮여 있어야합니다. 환자의 CT 스캔의 가용성과 정확성은 IO 라인 작업 트레이너를 만드는 데 제한을 부과할 수 있습니다. 3D 프린팅에 대한 요구 사항과 관련하여 모델 생성에 제한이있는 것으로 보입니다. 3D 프린팅 공정 중에 열가소성 수지 층은 이전 층 또는지지 재료 위에 증착됩니다. 이 프로세스로 제작 된 일부 모델 및 제안 된 트레이너는 3D 프린터의 크기 제한을 초과 할 수 있으며 트레이너의 중요한 측면 (예 : IO 모델의 골수 공간)을 유지하는 인쇄를 허용하도록 프린터 크기 또는 구성 요소를 수정해야합니다. 작업 트레이너 생성에 적합한 다른 형식으로는 자기 공명 영상이 있습니다. 그러나 이미징 형식은 다른 데이터 형식을 표시하므로 이 프로토콜을 수정해야 합니다.
이 IO 라인 배치 작업 트레이너는 다른 작업 트레이너에 비해 비용이 절감되고 작업 트레이너를 다양한 해부학적 부위(상완골 및 경골) 및 남성 또는 여성을 포함한 다양한 해부학, 고체질량 및 저체질량 지수에 맞게 사용자 정의할 수 있는 기능을 포함하여 몇 가지 혁신적인 기능을 갖추고 있습니다. 또한, 조직 배지 혼합물은 상이한 불투명도로 제조될 수 있어서, 원한다면, 골격 구조 또는 랜드마크의 다양한 수준의 시각화를 허용한다. 해부학적 정확성과 하위 구성 요소의 재사용 특성을 감안할 때 이 작업 트레이너는 시뮬레이션 또는 교육 환경에서 테스트 또는 임상 환경으로의 절차 기술 이전을 포함하여 고유한 의료 절차 교육 및 시뮬레이션 연구 기회를 제공합니다. 이 작업 트레이너의 충실도가 높고 비용이 저렴하기 때문에 의료 연수생 및 제공자의 절차적 기술 습득 및 저하를 평가하는 데 탁월한 선택입니다. 또한, 트레이너의 우수한 해부학적 충실도는 인체공학이 훈련 흉터 및 트레이너 구조의 저하에 미치는 영향을 평가할 수 있는 기회를 부여하며, 이는 이 분야에서 빠르게 떠오르는 관심 주제입니다17. 전반적으로이 도구를 사용하면 의료 시뮬레이션18의 모범 사례를 더 잘 이해할 수 있습니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 프로젝트의 자금은 기관 또는 부서 자원에서만 제공되었습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D printer filament, poly-lactic acid (PLA), 1.75 mm | N/A / Hatchbox | Base for 3D printing molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| 3D printer, Original Prusa i3 MK3 | Prusa | To print molds, bone structures, and bone / mold hardware | |
| bolts, 1/4”, flat / countersunk or round head, various lengths | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Bucket, 5 gallon, plastic | N/A | To hold tissue media during media preparation | |
| chlorhexidine, 4% solution w/v | Animicrobial additive for tissue media | ||
| drill, household 3/8’ chuck | N/A | To stir tissue media during media preparation | |
| food coloring, red (optional) | N/A | Coloring additive for simulated bone marrow | |
| gelatin, unflavored | Knox | Base for tissue media | |
| hex nuts, 1/4” | N/A | Hardware used to hold mold casing halves together during casting | |
| Non-stick cooking spray | N/A | Mold releasing agent | |
| plastic bags, ziplock | Ziplock | To store tissue media | |
| psyllium husk fiber, finely ground, orange flavored, sugar free (optional) | Procter & Gamble | Metamucil | Opacity / Echogenicity additive for tissue media |
| screwdriver, flat / Phillips (matching bolt hardware) | N/A | To tighten mold casing hardware | |
| silicone gasket cord stock, 3 mm, round, various lengths | N/A | Gasket media for mold casings | |
| spray adhesive, Super 77 (optional) | 3M | Agent used to improve bed adhesion during 3D printing | |
| stirring paddle / rod | To stir tissue media during media preparation | ||
| turkey baster, household, 60 mL | N/A | To inject simulated bone marrow into bone marrow cavity | |
| ultrasound gel | Base for simulated bone marrow | ||
| water, tap | Used in both tissue media and simulated bone marrow |
References
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